DE3048488C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Widerstands­ schweißen, insbesondere Punktschweißen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.

Eine solche Vorrich­ tung ist aus der DE-OS 20 35 080 bekannt.

In der Praxis des Widerstandschweißens, insbesondere des Punktschweißens, soll eine hohe und gleichmäßige Qualität der Schweißverbindungen auch während besonderer Änderungen von den Schweißprozeß und die Qualität der Schweißverbindun­ gen beeinflussenden Bedingungen sichergestellt werden. Die heutige Praxis gibt sich weitgehend mit einer festen Ein­ stellung des Transformators und der Phasenregelung für die Leistung am Anfang des Schweißprozesses zufrieden, was wäh­ rend des Schweißens ungefähr einen gleichen Schweißstrom ergeben soll. Diese Möglichkeit versagt bei der Netzspan­ nungsschwankung, Verschleiß der Schweißelektroden, Ände­ rungen in der Oberflächenbeschaffenheit des Blechs und ande­ ren den Schweißstrom beeinflussenden Änderungen. Unter die­ sen Umständen kann sich eine Situation ergeben, in der der Schweißstrom so abnimmt, daß eine Schweißstelle niedriger Qualität oder überhaupt keine Schweißstelle entsteht.

Weiterhin sind den Spannungsabfall im Speisenetz kompensie­ rende Einrichtungen bekannt. Allerdings beseitigt deren Anwendung die durch andere Einflüsse verursachten Abfälle des Schweißstroms nicht.

Weiter sind auch Einrichtungen zur Einregelung eines kon­ stanten Wertes für den Schweißstrom bzw. andere Größen wie z. .B. der Spannung an der Schweißstelle oder der an der Schweißstelle zugeführten Leistung bekannt. Der Nachteil solcher Lösungen ist, daß sie sich Änderungen in den Bedin­ gungen der Schweißverbindungsbildung nicht anpassen, die von den jeweils zu verschweißenden Bauteilen, der Geometrie der Schweißverbindung, der Oberflächen- und der Elektroden­ beschaffenheit beeinflußt werden und eine Verstellung bei Änderung der zu schweißenden Dicken, des Materials, der Anzahl der Schweißlagen, der Oberflächenbehandlung usw. erfordern.

Es sind auch Einrichtungen bekannt, die eine der energeti­ schen Parameter der Schweißstelle - den Strom, die Spannung, die Leistungsaufnahme, usw. mit den vorher eingestellten Grenzwerten vergleichen und die Bedingungen für die nächste Schweißstelle bei außerhalb des Bereichs festgelegter Gren­ zen liegenden Meßwerten während der Schweißstellenfertigung gemäß einem Folgeplan korrigieren. Der Nachteil dabei ist, daß der Regelungseingriff nicht die Schweißstelle beein­ flußt, an der die Änderung festgestellt wurde, sondern die nächste, für welche die Bedingungen sich inzwischen geändert haben können. Außerdem ist die Einstellung dieser Systeme sehr kompliziert. Die Optimalwerte der Einstellung werden für jeden technologischen Fall gesondert und empirisch fest­ gelegt.

Weiterhin ist aus dem Artikel von Slee, K. V., Moore G. R. "A new approach quality assurance in resistance welding", in Welding Metal Fabr. 41, 1973, Nr. 6, Seiten 204-209, eine Einrichtung bekannt, die mit einem steilen Schweißstrom­ anstieg angehalten wird, wenn die Geschwindigkeit der durch ihre Zeitableitung angegebenen Wärmeexpansion der Schweiß­ naht einen vorher eingestellten Wert erreicht, und die wei­ tere Schweißung bei dem erreichten Stromwert erfolgt. Der Nachteil dieses sonst vollkommenen Verfahrens ist, daß es die Messung einer mechanischen Größe - der Wärmeexpansion der Schweißstelle erfordert. Dies verursacht bei einigen Schweißmaschinen Probleme. Darüber hinaus ist ein Sensor, als Umwandler der mechanischen Größe (der Wärmeexpansion) in ein elektrisches Signal erforderlich.

Aus der DE-AS 20 35 080 ist ein Widerstands-Schweißverfahren bekannt, bei dem der Schweißstrom durch ein Werkstück mit­ tels Elektroden hindurchgeführt, die Änderungsgeschwindig­ keit des Schweißwiderstandes oder eine Funktion davon über­ wacht und der Schweißstromfluß für eine zusätzliche Zeit aufrechterhalten wird, nachdem der Schweißwiderstand sein Maximum erreicht hat. Dieses Schweißverfahren arbeitet nicht mit steilem Stromanstieg.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben angegebe­ nen Mängel der bekannten Verfahren und Einrichtungen zu beheben.

Die gestellte Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zum Wider­ standsschweißen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Eine besondere bevorzugte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Vorrichtung ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt darin, daß solche zufälligen und äußeren Störeinflüsse ausgeglichen werden, wie z. B. ein Parallelschluß des Stromes von einer naheliegenden Schweißnaht oder durch einen Zufallskontakt der zu verschweißenden Bauteile, die sonst zu einer Abnahme des durch die Schweißstelle fließenden Stromes und dadurch zur Bildung minderwertiger Verbindungen führen würden. Außerdem ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu geeignet, den Schweißstrom an verschiedene Dicken der zu schweißenden Bleche und an unterschiedliche Anzahlen der Schweißanlagen, die sich bei einer Konstruktion während des Schweißvorgangs ändern, anzupassen. Die Arbeit des Technikers bei der Ein­ stellung der Schweißbedingungen wird erleichtert. Nach be­ stimmter Voreinstellung paßt die erfindungsgemäße Anordnung den Schweißstrom den sich ändernden Bedingungen selbst an.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Korrektur des Schweißstroms bereits bei Beginn des Schweißprozesses an­ fängt, in dem die solche Korrekturen erfordernde Änderung der Bedingungen ermittelt wurde.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert keinen besonderen Sensor oder Umwandler und ist nicht nur bei stationären Schweißeinrichtungen, sondern auch bei Schweißzangen anwend­ bar.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ermöglicht eine automati­ sche Steuerung des Widerstandspunktschweißprozesses.

Ein Beispiel für die Ausführung der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt. Dabei zeigt

Fig. 1 den typischen Widerstandsverlauf eines Schweißpunktes und die Durchmesser­ vergrößerung der Schweißlinse bei sta­ biler Einstellung des Schweißstroms;

Fig. 2 den Widerstandsverlauf des Schweißpunktes und die Dauermesservergrößerung der Schweißlinse bei steigendem und steilem Schweißstromverlauf;

Fig. 3 das Prinzip der erfindungsgemäßen Vor­ richtung und die Gewinnung des Signals für das Anhalten des Schweißstromanstiegs aus dem Widerstandsverlauf des Schweiß­ punktes bzw. seiner Ableitung und

Fig. 4 eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In Fig. 1 ist der typische Widerstandsverlauf R des Schweiß­ punktes bei konstanter Einstellung des Schweißstroms als Kurve 1 dargestellt. Die Kurve 2 in Fig. 1 zeigt, wie sich zugleich der Schweißlinsendurchmesser D vergrößert. Es ist ersichtlich, daß etwa zu dem Zeitpunkt tmax, in dem der Schweißpunktwiderstand R sein lokales Maximum Rmax erreicht, die Ausbildung der Schweißlinse anfängt, deren Durchmesser D sich dann in der Schweißfolge in der Zeit t vergrößert.

Falls der Schweißstrom I während der Schweißungsteil anzu­ steigen vermag, wie dies als Kurve 3 in Fig. 2 gezeigt ist, wird der als Kurve 4 gezeigte Widerstandsverlauf R wieder nach einiger Zeit sein Maximum Rmax erreichen. Dieses Maxi­ mum entspricht ungefähr dem Beginn der Schweißlinsenbildung, aber der Durchmesser D der Schweißlinse 5 vergrößert sich entsprechend der Kurve 5 mit ansteigendem Wert des Schweiß­ stroms I rasch. Die Steilheit der die Vergrößerung des Durchmessers D wiedergebenden Kurve ist wesentlich höher als bei konstanter Einstellung des Schweißstroms I, nur mit der Zeit erfolgt eine energetische Sättigung des Schweißpunktes und aufgeschlossenes Metall spritzt aus dem Schweißpunkt.

Experimentell wurde festgestellt, daß das Maximum Rmax des Widerstandsverlaufs R des Schweißpunktes desto früher ent­ steht und die Vergrößerung der Schweißlinse desto früher anfängt, je schneller der Schweißstrom I ansteigt.

Weiterhin wurde festgestellt, daß das Maximum Rmax bei Än­ derung der äußeren Bedingungen wie z. B. einer Vergrößerung der Dicke oder der Anzahl der zu verschweißenden Bleche oder z. B. eine durch Verschleiß verursachte Vergrößerung des Elektrodendurchmessers später erreicht wird, d. h. bei höhe­ ren Werten für den Schweißstrom I. Wenn aus den betreffenden Werten I ₁, die der Erreichung von Rmax, in den Zeiten tmax entsprechen, der Quotient I/De gebildet wird, erhält man dadurch die Intensität des Schweißprozesses, über die be­ kannt ist, daß sie eine Konstante des Schweißprozesses für eine Werkstoffart darstellt, wobei De der Elektrodendurch­ messer ist. Dieser Quotient ist für verschiedene Dicken und verschiedene Anzahl der zu schweißenden Bleche und für ver­ schiedene Elektrodendurchmesser bei sonst konstanten Bedin­ gungen konstant. Es ergibt sich daraus, daß der Zeitpunkt tmax, bei dem das Maximum des Widerstands des Schweißpunktes Rmax entsteht, die Konstante des Schweißprozesses darstellt, was bedeutet, daß der den energetischen Anforderungen der gerade zu schweißenden Verbindung entsprechende Wert des Schweißstroms I 1 erreicht ist.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung arbeitet auf dieser Grundlage. Dabei steigt der Schweißstrom I gemäß der Kurve 6 in Fig. 3 steil an. Gleichzeitig werden der Verlauf des Schweißnahtwiderstands R und dessen Ableitung dR/dt, die in Fig. 3 als Kurven 7 bzw. 8 gezeigt sind, ermittelt. Zum Zeitpunkt tmax, zu dem der Schweißnahtwiderstand R das lo­ kale Maximum Rmax erreicht, geht seine Ableitung dR/dt durch den Nullpunkt hindurch. Dieser Zustand wird ermittelt, und aufgrund des so erhaltenen Signals wird der weitere Anstieg des Schweißstroms I bei dem Wert I 1 angehalten. Die Schweißung wird dann mit konstantem Wert für den Schweiß­ strom gemäß der Kurve 9 in Fig. 3 beendet. Aus technischen Gründen der Konstruktion des elektronischen Teils ist es günstig, einen Wert 10 für eine genügende Annäherung der Ableitung dR/dt an den Wert Null zu ermitteln, so daß das Signal zum Anhalten des Anstiegs des Schweißstroms I um ein Zeitintervall Δ t früher abgegeben wird, bevor das Maximum Rmax des Widerstands R erreicht wird. Das Zeitintervall Δ t kann gleich oder kleiner sein als eine Halbperiode der Netzfrequenz von 50 Hz, d. h., im Falle der gebräuchlichen Schweißanlagen 0,01 s betragen.

Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dort ist eine Steuereinheit 11 für den Wider­ standsverlauf des Schweißpunktes über ein Differenzierglied 12 und einen Komparator 13 mit einem Eingang 19 für eine Steuer­ größe an einem Signaleingang 20 einer Triggerschaltung 14 angeschlossen. Der Ausgang der Triggerschaltung 14 ist mit einem Anhalteeingang 23 eines Sägezahngenerators 15 verbun­ den, der über eine elektronische Steuerung 16 für die Schweißparameter, die einen Einstelleingang 25 aufweist, an einen Schweißgenerator 17 geschaltet ist. Dabei ist ein Ausgang 26 der elektronischen Steuerung 16 für die Schweiß­ parameter, der den Befehl zum Auslösen des Sägezahnverlaufs führt, mit einem Nulleinstellungseingang 22 der Trigger­ schaltung 14, mit einem Anlaßeingang 24 des Sägezahngenera­ tors 15 und über eine Verzögerungsschaltung 18, die einen Eingang 27 für die Einstellung der Verzögerung aufweist, mit einem Taktgebereingang 21 der Triggerschaltung 14 verbunden.

Die Arbeitsweise der dargestellten Anordnung beruht darauf, daß das Signal aus der Steuereinheit 11 für den Widerstands­ verlauf der Schweißnaht durch das Differenzierglied 12 geführt wird, an dessen Ausgang der Komparator 13 angeschlossen ist, der am Eingang 19 die Führungsgröße zugeführt erhält. Der Kompa­ rator 13 bestimmt das Erreichen des Maximums des Widerstands und gibt einen Befehl an die Triggerschaltung 14, die da­ raufhin kippt und über ihren mit dem Anhalteeingang 23 des Sägezahngenerators 15 verbundenen Ausgang das Anwachsen des Sägezahnverlaufs anhält. Dadurch wird auch der Schweißstrom­ anstieg angehalten, der durch die Verbindung des Ausgangs des Sägezahngenerators 15 über die elektronische Steuerung 16 für die Schweißparameter mit dem Schweißgenerator 17 bestimmt wird. Dabei ist der Ausgang 26 der elektronischen Steuerung 16 für die Schweißparameter für den Befehl zum Auslösen des Sägezahnverlaufs mit dem Nulleinstellungsein­ gang 22 der Triggerschaltung 14 und dem Anlaßeingang 24 des Sägezahngenerators 15 verbunden, wobei die Triggerschaltung 14 das Starten des Sägezahnverlaufs und dadurch den Anstieg des Schweißstroms freigibt. Zugleich ist der Ausgang 16 über die Verzögerungsschaltung 18 mit dem Taktgebereingang 21 der Triggerschaltung 14 verbunden. Dadurch ist die Blockierung während den ersten 2 bis 5 Perioden gesichert.

Claims (2)

1. Vorrichtung mit Widerstandsschweißen, insbesondere Punkt­ schweißen mit einer Stromquelle und einer Steuereinrich­ tung für den Schweißstrom, die den Schweißstrom ansteigen läßt und die beim Erreichen eines voreingestellten Wer­ tes eines Parameters der Schweißstelle den Schweißstrom­ anstieg anhält, so daß die Schweißung mit dem Wert des Schweißstromes erfolgt, der im Moment des Anhaltens des Stromanstiegs erreicht wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung einen steilen Schweißstrom­ anstieg erzeugt und der Schweißstromanstieg angehalten wird, wenn der Widerstandsverlauf der Schweißstelle ein relatives Maximum erreicht oder sich diesem Maximum nähert.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinheit (11) über ein Differenzierglied (12) und einen einen Eingang (19) für eine Führungsgröße auf­ weisenden Komparator (13) an einen Signaleingang (20) einer Triggerschaltung (14) angeschlossen ist, deren Ausgang mit einem Anhalteeingang (23) eines Sägezahn­ generators (15) verbunden ist, der an einen Schweiß­ generator (17) über eine elektronische Steuerung (16) für die Schweißparameter mit einem Einstelleingang (25) angeschlossen ist, deren Ausgang (26) für den Befehl zum Auslösen des Sägezahnverlaufs mit einem Nullein­ stellungseingang (22) der Triggerschaltung (14), mit einem Anlaßeingang (24) des Sägezahngenerators (15) und über eine einen Einstelleingang (27) aufweisende Verzöge­ rungsschaltung (18) mit einem Taktgebereingang (21) der Triggerschaltung (14) verbunden ist.